綜述：生物3D打印肝臟體外模型進(jìn)展

來(lái)源:EngineeringForLife

三維生物打印技術(shù)是一種新興的技術(shù),，由于其能夠精確控制細(xì)胞的空間分布和周圍的微環(huán)境，在組織和器官構(gòu)建方面具有巨大的潛力,。它可以在空間上排列細(xì)胞、生物材料和生長(zhǎng)因子,，以形成類似組織的3D結(jié)構(gòu),。生物3D打印可以構(gòu)建復(fù)雜的異質(zhì)器官，有助于解決全球器官移植短缺的危機(jī),。

肝臟是人體最大的腺體,，在新陳代謝、膽汁產(chǎn)生,、解毒,、凝血、免疫,、產(chǎn)熱,、調(diào)節(jié)水和電解質(zhì)等500多種生化反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。肝臟含有幾種類型的細(xì)胞:肝細(xì)胞(HCs),、肝星狀細(xì)胞(HSCs),、肝竇內(nèi)皮細(xì)胞(LSECs)、Kupffer細(xì)胞(KCs)和膽汁上皮細(xì)胞(BECs),。所有這些細(xì)胞都按特定的順序緊密排列在六邊形的肝小葉中,，肝小葉是肝臟的基本組成部分;每個(gè)肝臟含有半個(gè)到一百萬(wàn)個(gè)肝小葉。

肝腺泡是肝臟最小的功能單位,。它包括兩個(gè)六分之一的肝小葉,。根據(jù)內(nèi)部代謝產(chǎn)物的濃度梯度，可以將一個(gè)腺泡(圖1)劃分為三個(gè)區(qū)域,。隨著營(yíng)養(yǎng)和氧濃度從外部(圖1,，區(qū)域I)到中心(圖1，區(qū)域III)的降低,，肝臟的再生能力和代謝率也降低,。此外，肝臟有兩個(gè)供血系統(tǒng):(i)經(jīng)門靜脈來(lái)自胃腸道的靜脈血和(ii)經(jīng)肝動(dòng)脈來(lái)自體循環(huán)的動(dòng)脈血,。

在過(guò)去的幾十年里,，肝病已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的主要死亡原因之一。

根據(jù)全球健康觀察的元數(shù)據(jù),，乙肝和丙肝兩種肝臟相關(guān)疾病被列為全球十大疾病之一,。中國(guó)約有五分之一的人患有肝病,。乙型肝炎病毒(HBV)、丙型肝炎病毒(HCV),、肝硬化,、肝癌、酒精性肝病(ALD),、非酒精性脂肪肝(NAFLD),、藥物性肝損傷是影響肝臟健康的主要疾病。

為了有效降低肝病的發(fā)病率和死亡率,，有必要開發(fā)出療效更好,、副作用更小的藥物。現(xiàn)有的研究方案下,，新藥通常是通過(guò)在二維單層細(xì)胞培養(yǎng)物和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中開發(fā)出來(lái)的,。然而，這些方法昂貴且費(fèi)時(shí),。并且,，二維單層細(xì)胞培養(yǎng)不能真實(shí)反映藥物在人體內(nèi)的實(shí)際代謝微環(huán)境，使用動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在倫理問題,，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型與人的代謝存在差異,。

制藥行業(yè)迫切需要在體外實(shí)現(xiàn)肝臟復(fù)雜的生理微環(huán)境，重現(xiàn)肝臟代謝功能的肝臟組織模型,。因此,，有必要開發(fā)一種體外模擬人肝臟的新技術(shù)，以使藥物的開發(fā),、篩選和試驗(yàn)穩(wěn)定,，保證藥物的高效低毒，推進(jìn)肝臟疾病的研究,。

圖1  生物3D打印體外肝組織模型的構(gòu)建示意圖

三維生物打印肝臟組織和肝芯片分別可以更好地模擬肝臟的體內(nèi)靜態(tài)微環(huán)境和動(dòng)態(tài)微環(huán)境,。這些新興技術(shù)可以用來(lái)操縱細(xì)胞排布組裝成特定結(jié)構(gòu)�,？朔�了二維培養(yǎng)的局限性,，能夠更好地模擬了體內(nèi)微環(huán)境的復(fù)雜性。

文章首先系統(tǒng)介紹了現(xiàn)有生物3D打印制造體外肝組織模型的主要技術(shù)以及可被用于打印的肝臟細(xì)胞,。之后,，分別從打印靜態(tài)培養(yǎng)的肝組織與動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的肝芯片兩個(gè)角度來(lái)闡述目前體外肝組織模型打印的研究進(jìn)展。

1. 體外肝臟組織打印
生物3D打印能夠精確地排布細(xì)胞,，可分為擠出式,、噴墨式和光固化式的打印方法。
【優(yōu)勢(shì)】多噴頭能夠構(gòu)建異質(zhì)多細(xì)胞體外組織,，通過(guò)對(duì)噴頭的精確控制,，可構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu),。能夠克服二維細(xì)胞培養(yǎng)的局限性。
【局限性】生物打印分辨率與噴頭及平臺(tái)移動(dòng)精確度有關(guān),，如今打印精度依然較低,。

圖2  肝臟組織三維生物打印模型的構(gòu)建

除了生物材料支架包裹的細(xì)胞外，另一種無(wú)水凝膠的三維培養(yǎng)模型是基于細(xì)胞球狀體,。球狀體是自組織的球形細(xì)胞聚集體,。原發(fā)性造血干細(xì)胞可形成球狀體來(lái)維持其表型和功能。

肝球體構(gòu)造的傳統(tǒng)方法包括懸滴法,、微波陣列法和磁組裝法,。由于不同的表型和體外細(xì)胞培養(yǎng)特性，每種方法的應(yīng)用細(xì)胞類型也不同,，這也影響了細(xì)胞聚集形成的效果，包括球形直徑和穩(wěn)定性,。

與基于支架的模型相比,，無(wú)支架模型成本低，不需要水凝膠,。然而,，它們不能用來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的非均勻微觀結(jié)構(gòu)。

2. 肝芯片打印
肝芯片是一種基于動(dòng)態(tài)微流控芯片的體外干細(xì)胞培養(yǎng)生物芯片模型,�,；�于��(dòng)態(tài)微流體的體外肝臟系統(tǒng)可以精確控制細(xì)胞培養(yǎng)微環(huán)境，如溫度,、pH值,、細(xì)胞剪切應(yīng)力、氧氣,、營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和廢物去除,。

三維生物打印技術(shù)可以應(yīng)用于芯片上肝的各個(gè)制作階段，包括芯片框架,、嵌入的肝組織支架以及整個(gè)芯片的打印,。

為了引出3D打印肝芯片，文章首先對(duì)傳統(tǒng)微納方法制備肝芯片進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹,，微納制造光刻肝芯片,，通過(guò)制造微米級(jí)流道控制液體來(lái)灌注培養(yǎng)芯片內(nèi)部的細(xì)胞。

圖3  Liver-on-chips模仿肝臟結(jié)構(gòu)和功能

傳統(tǒng)制造芯片上微流體肝的方法是光刻法和復(fù)制模塑法,，兩者具有時(shí)間成本與經(jīng)濟(jì)成本高的缺點(diǎn),。采用三維生物打印技術(shù)，不僅可以在更短的時(shí)間內(nèi)以更低的成本構(gòu)建芯片框架,，而且可以在芯片上構(gòu)建復(fù)雜的肝支架嵌入芯片內(nèi),，用于灌注培養(yǎng),。

圖4  3D生物打印肝臟芯片

傳統(tǒng)藥物開發(fā)方法昂貴費(fèi)事且失敗率高，通過(guò)構(gòu)建更能模擬體內(nèi)肝臟微環(huán)境的體外模型,，能夠作為藥物開發(fā)新技術(shù),，解決器官體外再生移植供體短缺的問題。

三維生物打印肝組織支架和肝芯片是兩種構(gòu)建體外肝臟模型的主要技術(shù),。生物3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)使用多種生物墨水,，通過(guò)對(duì)噴頭的精確控制，實(shí)現(xiàn)體外異質(zhì)多細(xì)胞肝模型的構(gòu)建,。肝芯片上的微流體通道能夠精確地控制液體,，可以降低細(xì)胞灌注培養(yǎng)時(shí)的剪切應(yīng)力，減小對(duì)細(xì)胞的損傷,，并且多流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以模擬肝臟的味觀結(jié)構(gòu),。

將3D生物打印技術(shù)應(yīng)用于芯片構(gòu)建肝臟，除了為篩選藥物和確定肝臟疾病的分子機(jī)制提供強(qiáng)大的平臺(tái)外,，體外肝臟組織模型的開發(fā)也將變得更加高效和經(jīng)濟(jì),。

相關(guān)論文“Current Advances on 3D-Bioprinted Liver Tissue Models”已被Wiley旗下期刊Advanced Healthcare Materials在線刊登，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院楊華勇院士團(tuán)隊(duì)生物制造方向馬梁講師為本文第一作者及通訊作者,，吳鈺桐碩士生為共同第一作者,，其他共同通訊作者還有周竑釗博士后以及張斌副研究員。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202001517